ساعت دنده سیاره ای: 6 مرحله (همراه با تصاویر)

2024 نویسنده: John Day | [email protected]. آخرین اصلاح شده: 2024-01-30 08:52

تماشای ساعت های مکانیکی (قدیمی) فوق العاده جالب و لذت بخش است ، اما متأسفانه ساختن آنها غیرممکن است. ساعتهای مکانیکی نیز فاقد بی دقتی فناوری دقیق دیجیتالی موجود امروزه هستند. این دستورالعمل راهی برای ترکیب بهترین های هر دو جهان به شما نشان می دهد. با حرکت عقربه های ساعت مکانیکی از طریق گیربکس سیاره ای با موتور پله ای و آردوینو!

تدارکات

اجزای کلی:

• ورق چوبی 5 میلی متری و اکریلیک
• پیچ و مهره M5 (ضد آب) ، واشر و مهره
• مشکلات PCB
• پیچ M3 برای موتور پله ای

اجزای الکتریکی:

• راننده استپر (من از L293d استفاده کردم)
• هر نوع آردوینو
• ساعت واقعی (من از DS3231 استفاده کردم)
• سنسور اثر هال (من از A3144 استفاده کردم)
• آهنربای نئودیم 5 میلی متر
• دکمه های ورودی کاربر
• مقاومت 10K
• خازن 100 ولت 25 ولت
• جک DC
• منبع تغذیه 5 ولت 2 آمپر DC
• باتری RTC (در مورد من cr2032)

اجزای مکانیکی:

• هر نوع موتور پله ای 1.8 درجه/پله با محور 5 میلی متر
• تسمه تایم GT2 400 میلی متری
• قرقره محور GT2 60 دندان 5 میلی متری
• قرقره محور GT2 20 دندان 5 میلی متری
• بلبرینگ 5x16x5 میلی متر (3x)
• بلبرینگ فلنج 5x16x5 میلی متر (2x)
• میله رزوه دار M5x50

مرحله 1: طراحی و ساخت چرخ دنده ها

یکی از اهداف این پروژه داشتن یک موتور بود که ساعت کامل را به حرکت در می آورد ، مشابه یک ساعت مکانیکی واقعی که در آن یک مکانیسم فرار ساعت کامل را به حرکت در می آورد. عقربه دقیقه با این حال باید 12 دور در زمان عقربه ساعت 1 چرخش انجام دهد. این بدان معناست که برای حرکت هر دو دست با یک موتور به گیربکس 1:12 احتیاج است. من تصمیم گرفتم این کار را با گیربکس سیاره ای انجام دهم ، ویدئوی موجود نحوه کار این نوع گیربکس را به زیبایی توضیح می دهد.

گام بعدی برای من تعیین تعداد دندان ها برای چرخ دنده های مختلف بود تا نسبت 1:12 ایجاد شود. این وب سایت بسیار مفید بود و شامل تمام فرمول های مورد نیاز است. من چرخ دنده خورشیدی را به عقربه دقیقه و حامل سیاره را به عقربه ساعت متصل کردم ، چرخ دنده حلقه ثابت ماند. بیایید کمی ریاضی انجام دهیم!

• S = تعداد دندانه های روی دنده خورشید
• R = تعداد دندان روی چرخ دنده
• P = تعداد دندان در چرخ دنده سیاره

نسبت دنده (i) توسط:

i = S/R+S

توجه داشته باشید که تعداد دندانه های موجود در چرخ دنده برای نسبت چرخ دنده در این مورد اهمیتی ندارد ، اما ما باید محدودیت کلی را رعایت کنیم:

P = (R - S)/2

پس از کمی گیج کننده ، از اعداد زیر استفاده کردم: S = 10؛ R = 110 ؛ P = 50 ؛ به نظر می رسد آنها در لبه آنچه ممکن است قرار گرفته اند زیرا فاصله بسیار کمی بین چرخ دنده های سیاره وجود دارد ، اما کار می کند!

می توانید چرخ دنده ها را در برنامه CAD مورد علاقه خود بکشید ، اکثر آنها دارای پلاگین های مخصوص چرخ دنده هستند. همچنین می توانید از فایل های متصل به این دستورالعمل استفاده کنید. البته. توجه داشته باشید که همه چرخ دنده ها ، اگرچه از نظر اندازه متفاوت هستند ، اما ارتفاع دندان یکسانی دارند.

من فکر کردم ساخت این چرخ دنده ها از آلومینیوم 5 میلی متری عالی است و اگر می توانند این چرخ دنده ها را برای من برش دهند با یک واترجت با یک فروشگاه محلی تماس گرفتم. به طور معمول شما هرگز با دستگاه برش آب دنده درست نمی کنید ، اما این چرخ دنده ها عملکرد بسیار پایینی دارند. با کمال تعجب آنها موافقت کردند که تلاش کنند ، اما این طرح به طرز وحشتناکی شکست خورد. قطعات برای واترجت بسیار کوچک بودند و در حین برش شروع به حرکت کردند.

این عقب نشینی به این معنی بود که زمان برنامه B فرا رسیده است ، بنابراین من اکریلیک سیاه دودی 5 میلی متری خریدم و جایی با برش لیزری پیدا کردم که هیچ مشکلی در برش چرخ دنده های من نداشت. اگر دستگاه برش لیزری ندارید ، احتمالاً می توانید از چاپگر سه بعدی برای این چرخ دنده ها استفاده کنید ، من فایل های STL را وارد کردم (ممکن است چرخ حلقه به 3 قسمت تقسیم شود).

پس از برش ، یاتاقان های نصب شده را روی چرخ دنده های سیاره فشار می دهم. برای تناسب اندام ، یک قطعه آزمایشی اکریلیک با چندین سوراخ که قطر آنها کمی بزرگتر بود (مراحل 0.05 میلی متر) ساختم. پس از یافتن تنظیمات با تناسب مناسب ، اندازه سوراخ در چرخ دنده های سیاره را به این تنظیم تغییر دادم. این چیزی است که با مواد و نوع دستگاه متفاوت است ، بنابراین همیشه باید خودتان این کار را انجام دهید.

مرحله 2: مونتاژ سیستم چرخ دنده

برای مونتاژ چرخ دنده ها ، قاب ساعت مورد نیاز است. در حال حاضر این قسمتی است که می توانید خلاقیت خود را از بین ببرید زیرا شکل قاب نسبتاً بی اهمیت است تا زمانی که همه سوراخ های پیچ و مهره در محل مناسب باشند. من برای تأکید بر مکانیزم چرخ دنده ، سوراخ های زیادی در صفحه شماره گیری و صفحه پشتی ایجاد کردم. این نیز به این دلیل است که حاملان سیاره و عقربه های دقیقه به نوعی شفاف هستند ، اما به نظر می رسد فقط جالب است!

من یکبار دیگر از برش لیزری برای ساخت این قطعات استفاده کردم و از آنجا که قطعات اکریلیک 5 میلی متر ضخامت داشتند ، من قطعات چوبی را نیز به ضخامت 5 میلی متر ساختم. تمام سوراخ ها در صفحه شماره گیری و حامل سیاره برای جا دادن پیچ و مهره ها متقاطع شده بودند.

محور مرکزی ساعت در دو حامل داخل حامل های سیاره حرکت می کند. از آنجایی که من این محور را از میله 5 میلی متری ساختم ، در داخل یاتاقان ها واقعاً محکم شده است و دیگر نتوانستم این قطعات را جدا کنم. فقط استفاده از یک تکه نخ M5 بسیار ساده تر خواهد بود زیرا شما دیگر نیازی نخ نخ خود را نخواهید داشت (اگر فقط قبلاً متوجه شده بودم …..). برای جلوگیری از چرخش چرخ دنده خورشیدی در اطراف محور ، یک سوراخ D شکل دارد ، بنابراین محور نیز باید در این شکل D قرار گیرد. هنگامی که چرخ دنده خورشیدی در اطراف محور قرار می گیرد ، می توانید محور را مونتاژ کنید ، اگر از بلبرینگ فلنج استفاده می کنید ، حامل سیاره را فراموش نکنید! برای مشاهده دستورالعمل مونتاژ ، نمای منفجر شده را بررسی کنید.

هنگامی که محور مرکزی نصب می شود ، زمان چرخ دنده های سیاره فرا می رسد. این دستگاه ها نیز مانند محور مرکزی به واشرهای کوچک احتیاج دارند تا مطمئن شوند که دنده ها بدون مشکل کار می کنند. هنگامی که همه چیز روی حامل های سیاره نصب شد ، بررسی کنید که آیا چرخ دنده ها و چرخ دنده های سیاره به خوبی کار می کنند یا خیر.

قسمت مرکزی را می توان در قاب ساعت نصب کرد. این یک کار خسته کننده است ، اما چسباندن پیچ و مهره ها در صفحه جلو و چسباندن آنها در محل بسیار کمک می کند. همچنین می توانید صفحه جلو را بالا ببرید تا فضایی برای عقربه دقیقه ایجاد شود. عکسها نشان می دهد که من شش تکه کاغذ کوچک را بین حلقه چرخ دنده و صفحه پشتی قرار داده ام تا کمی فاصله را برای چرخ دنده ها ایجاد کنم. هنگام وارد کردن حامل سیاره ، مطمئن شوید که شماره گیرها در یک مکان معقول قرار دارند (اگر عقربه دقیقه دقیقه در 12 نشان می دهد ، عقربه ساعت نباید بین دو ساعت مثال باشد)

مرحله 3: اتصال استپر و سنسور

اکنون که ما یک مکانیزم دنده داریم که عقربه ها را به درستی حرکت می دهد ، هنوز باید مکانیزم چرخ دنده را به درستی حرکت دهیم. از انواع مختلف موتورهای الکتریکی می توان استفاده کرد ، من یک موتور پله ای را انتخاب کردم ، زیرا می تواند بدون حسگرهای بازخورد زاویه ای ثابت حرکات دقیقی انجام دهد. یک موتور پله ای همچنین می تواند یک صدای "کلیک" واقعی ایجاد کند ، که برای ساعت نیمه مکانیکی عالی است!

یک موتور پله ای معمولی می تواند 200 دور در هر دور حرکت کند ، که اگر آن را به عقربه دقیقه متصل کنیم به 200 مرحله در ساعت تبدیل می شود. این به معنای فاصله 18 ثانیه در هر مرحله است ، که هنوز شبیه ساعت تیک تاک به نظر نمی رسد. بنابراین من از یک گیربکس 1: 3 بین موتور پله ای و عقربه های دقیقه استفاده کردم ، بنابراین موتور پله ای باید 600 قدم در ساعت برود. با استفاده از حالت نیم مرحله ای می توان این مقدار را تا 1200 مرحله در ساعت افزایش داد که برابر است با یک مرحله در 3 ثانیه. بهتر به نظر می رسد!

یکی از مشکلات موتورهای پله ای این است که هنگام فعال کردن آردوینو خود هرگز نمی دانید آنها کجا هستند. به همین دلیل است که تمام چاپگرهای سه بعدی دارای توقف های پایانی هستند ، بنابراین می توانید چاپگر خود را به یک موقعیت شناخته شده منتقل کرده و سپس از آن نقطه ادامه دهید. این نیز برای ساعت مورد نیاز است ، فقط یک توقف پایان کار نمی کند زیرا یک ساعت باید چرخش مداوم داشته باشد. برای درک این موقعیت از سنسور اثر هال A3144 استفاده کردم که یک آهنربا را تشخیص می دهد (قطبیت را بررسی کنید! …) متصل به حامل سیاره. این برای حرکت دستها به موقعیت خاصی در هنگام راه اندازی استفاده می شود ، پس از آن می توانند به زمان مورد نیاز حرکت کنند.

مونتاژ بسیار ساده است ؛ موتور پله ای را به صفحه پشتی وصل کنید و پیچ ها را کمی شل بگذارید. سپس می توانید قرقره کوچک را بر روی محور موتور پله ای سوار کرده و بررسی کنید که تسمه تایم مستقیماً کار می کند یا خیر. اکنون می توانید موتور پله ای را بکشید تا تنش روی تسمه تایم تنظیم شود. تسمه تایم به کمی بازی احتیاج دارد تا مطمئن شوید هیچ گونه فشار بر روی چرخ دنده ها وارد نمی کنید. تا زمانی که راضی نیستید با این تنظیمات بازی کنید ، سپس پیچ های استپر موتور را کاملاً سفت کنید.

سنسور جلوه در جای خود چسبانده شده است. بهتر است ابتدا سه سیم را به سنسور بچسبانید ، مطمئن شوید که حرارت را در اطراف هر قسمت از سنسور قرار دهید تا نتوانند یکدیگر را کوتاه کنند. پس از لحیم کاری ، سنسور را می توان در جای خود چسباند. واقعاً مهم نیست که کدام طرف بالا باشد ، مگر اینکه هنوز آهن ربا را وصل نکرده اید. بعد از اینکه سنسور را در محل خود چسباندید ، آن را به آردوینو یا یک مدار LED کوچک وصل کنید تا بررسی کنید که آیا کار می کند یا خیر. (توجه: سنسور جلوه سالن تنها در صورتی کار می کند که خطوط میدان مغناطیسی در جهت درست حرکت کنند). با استفاده از این مدار آزمایش ، نحوه چسباندن آهنربا را بررسی کنید. وقتی کاملاً مطمئن شدید که طرف مغناطیس شما باید رو به سنسور باشد ، آهنربا را در جای خود بچسبانید.

مرحله 4: وسایل الکترونیکی که ساعت را تیک می زنند

می توانید از یک کد آردوینو بسیار ساده استفاده کنید که با موتور نیم قدم می زند و سپس تا مرحله بعدی 3000 میلی ثانیه تاخیر می کند. این کار می کند اما خیلی دقیق نیست زیرا ساعت داخلی آردوینو فوق العاده دقیق نیست. دوم اینکه آردوینو هر بار که قدرت خود را از دست می دهد زمان را فراموش می کند.

بنابراین برای پیگیری زمان بهتر است از ساعت زمان واقعی استفاده کنید. این چیزها تراشه های مخصوص طراحی شده با باتری پشتیبان هستند که زمان را به طور دقیق پیگیری می کنند. برای این پروژه ، من DS3231 RTC را انتخاب کردم که می تواند از طریق i2c با آردوینو ارتباط برقرار کند و سیم کشی را آسان کند. هنگامی که زمان را به درستی روی تراشه او تنظیم کردید ، هرگز ساعت آن را فراموش نمی کند (تا زمانی که مقدار کمی از باتری cr2032 باقی مانده باشد). برای اطلاع از جزئیات بیشتر در مورد این ماژول ، این وب سایت را بررسی کنید.

رانندگی موتور پله ای با درایور موتور L293d انجام می شود. برخی از درایورهای پیشرفته موتور پله ای از یک سیگنال PWM برای پله های خرد و محدودیت جریان استفاده می کنند. این سیگنال PWM می تواند سر و صدای آزاردهنده ای را ایجاد کند که همه سازندگان با آن آشنا هستند (مخصوصا اگر شما دارای چاپگر سه بعدی هستید). از آنجایی که این ساعت قرار است بخشی از فضای داخلی شما شود ، صداهای تند و زننده مورد نظر نیست. بنابراین تصمیم گرفتم از راننده موتور l293d با تکنولوژی پایین استفاده کنم تا مطمئن شوم که ساعت من خاموش است (علاوه بر این که هر 3 ثانیه قدم می گذارم ، اما واقعاً لذت بخش است!). برای توضیحات بیشتر در مورد تراشه l293d به این وب سایت مراجعه کنید. توجه داشته باشید که من موتور پله ای خود را با 5 ولت کار می کنم که باعث کاهش مصرف برق و دمای موتور پله ای می شود.

همانطور که قبلاً ذکر شد ، من از یک سنسور اثر هال برای تشخیص آهن ربا چسبیده به حامل سیاره استفاده می کنم. اصل عملکرد سنسور بسیار ساده است ، هنگامی که آهن ربا به اندازه کافی نزدیک است حالت خود را تغییر می دهد. به این ترتیب آردوینو شما می تواند یک دیجیتال بالا یا پایین را تشخیص دهد و بنابراین نزدیک بودن آهنربا را تشخیص می دهد. این وب سایت را ببینید که نحوه اتصال سنسور را نشان می دهد و کد ساده ای که برای تشخیص آهن ربا استفاده می شود را نشان می دهد.

آخرین و مهمترین نکته این است که من 4 دکمه برای ورود کاربر به PCB اضافه کردم. آنها از سیم کش های داخلی آردوینو برای ساده سازی سیم کشی استفاده می کنند. PCB من همچنین دارای سرصفحه در پیکربندی Uno است ، بنابراین می توانم سپرهای آردوینو را برای گسترش احتمالی اضافه کنم (من این کار را تا کنون انجام نداده ام).

من ابتدا همه چیز را روی تخته نان خود آزمایش کردم و سپس یک PCB سفارشی برای این پروژه طراحی و سفارش دادم ، زیرا عالی به نظر می رسد! اگر نمی خواهید به آن نگاه کنید ، می توانید PCB را در پشت ساعت خود نصب کنید.

فایل های Gerber برای PCB را می توان از درایو من بارگیری کرد ، Instructables به دلایلی اجازه نمی دهد آنها را بارگذاری کنم. از این پیوند برای google drive من استفاده کنید.

مرحله 5: برنامه نویسی آردوینو

کد اصلی آردوینو در واقع بسیار ساده است. من طرحی را ضمیمه کردم که تصویری از آنچه در داخل آردوینو اتفاق می افتد و نحوه ارتباط آردوینو با سایر دستگاه ها را به تصویر می کشد. از چندین کتابخانه برای ساده سازی کدگذاری استفاده کردم.

• Accelstepper -> توالی پله ای موتور پله ای را کنترل می کند ، به شما امکان می دهد دستورات بصری مانند: Stepper.runSpeed () ، یا Stepper.move () را بدهید که به ترتیب به شما اجازه می دهد با سرعت خاصی یا در موقعیت خاصی حرکت کنید.
• Wire -> این مورد برای ارتباطات i2c حتی در هنگام استفاده از RTClib مورد نیاز است
• RTClib -> ارتباط بین Arduino و RTC را مدیریت می کند ، به شما امکان می دهد دستورات بصری مانند rtc.now () که زمان فعلی را برمی گرداند ، بدهید.
• OneButton -> ورودی دکمه را کنترل می کند ، فشارها را تشخیص می دهد و سپس یک خلأ از پیش تعیین شده را برای انجام کاری اجرا می کند. می تواند پرس های تک ، دو یا بلند را تشخیص دهد.

هنگام نوشتن کد برای یک ساعت ، بسیار مهم است که از متغیرهایی که به طور مداوم در حال افزایش هستند ، خودداری کنید. از آنجا که کد آردوینو به صورت 24 ساعته و 7 روزه اجرا می شود ، این متغیرها به سرعت بزرگتر و بزرگتر می شوند و در نهایت باعث سرریز می شوند. به عنوان مثال ، موتور پله ای هرگز فرمان رفتن به موقعیت خاصی را نمی دهد ، زیرا این موقعیت فقط با گذشت زمان افزایش می یابد. در عوض به موتور پله ای دستور داده می شود که تعداد مشخصی از مراحل را در جهت خاصی حرکت دهد. به این ترتیب هیچ متغیر موقعیتی وجود ندارد که با گذشت زمان افزایش یابد.

اولین باری که RTC را وصل می کنید باید زمان تراشه را تنظیم کنید ، قطعه ای از کد وجود دارد که نمی توانید آن را کامنت کنید و زمان RTC را برابر با زمان رایانه (زمان لحظه ای که کد را کامپایل می کنید) تنظیم می کند. توجه داشته باشید که وقتی این مورد را بدون نظر گذاشتید ، زمان RTC به زمانی که هر بار کد خود را کامپایل کرده اید بازنشانی می شود. بنابراین این را کامنت نکنید ، یکبار اجرا کنید و سپس دوباره نظر دهید.

من کد خود را به این دستورالعمل پیوست کردم ، کاملاً نظر دادم. شما می توانید آن را بدون هیچ گونه تغییری بارگذاری کنید یا آن را بررسی کنید و نظر خود را ببینید!

مرحله ششم: برای اولین بار از صدای تیک ساعت خود لذت ببرید

پس از اتصال همه لوازم الکترونیکی و بارگذاری کد ، این نتیجه است!

طراحی اولیه این ساعت بسیار ساده است و می تواند در اشکال و اندازه های مختلف ساخته شود. از آنجا که آردوینو روی صفحه وجود دارد ، می توانید به راحتی ویژگی های اضافی را نیز اضافه کنید. با تنظیم زنگ ساعت ، ساعت را در ساعت مشخص روشن کنید ، اتصال به اینترنت ، حالت های نمایشی جالب که حرکت مکانیکی را برای نشان دادن طراحی شما به دیگران برجسته می کند و موارد دیگر!

همانطور که ممکن است در طول این دستورالعمل متوجه شده باشید ، برای نوشتن این دستورالعمل مجبور شدم ساعتم را جدا کنم. اگرچه برای این دستورالعمل مایه تاسف است ، حداقل می توانم تضمین کنم که طراحی در طولانی مدت بسیار خوب عمل می کند ، زیرا این ساعت بیش از 3 سال است که بدون هیچ مشکلی در اتاق نشیمن من در حال کار است!

لطفاً اگر این دستورالعمل را دوست داشتید ، در نظرات به من اطلاع دهید ، اولین بار است که من آن را می نویسم. همچنین اگر نکته یا س questionsالی دارید ، فقط به من پیام دهید. و امیدوارم از کسی الهام گرفته باشم که روزی یک ساعت نیمه مکانیکی بسازد!

جایزه اول در مسابقه ساعت